热处理工艺对ZK60镁合金力学性能的影响分析

1绪论
随着科技的发展，在21世纪，保护环境，实现人类的可持续发展，已经成为世界各个国家共同关心的问题。

合理使用、节约和保护资源，提高资源的利用率，从传统的高消耗、粗放型模式向可持续发展、集约型模式转变，也已经受到社会各界的普遍重视。

镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等优点，同时，镁资源在地球上也很丰富，且镁合金产品易于回收利用，具有环保特性。

因此，镁合金被誉为21世纪的绿色工程金属，近年来在汽车工业、航空航天、电子工业等领域中获得了迅速的发展，而且发展前景越来越好。

1.1选题的研究背景及意义
与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，目前镁合金的产量只有铝合金的1％。

镁属于密排六方结构金属，塑性变形能力差，很难加工成板、带、棒、型材等，因此镁合金主要采用铸件作为结构材料使用。

随着航空、汽车、国防、电子工业的开发和进展，现有镁合金已难以满足某些特殊的要求，迫切需要开发各种新型的高性能镁合金。

因此，积极探索改善镁合金的力学性能和成形性能的途径，对于推动镁合金材料的应用并发挥其性能优势具有重要意义。

为了推动我国的镁工业，必须大力开发变形镁合金及其生产工艺。

本研究以镁合金ZK60为研究对象，ZK60镁合金作为目前商用变形镁合金中强度最高者，提高塑性对扩大其应用至关重要。

选择热挤压做为处理ZK60镁合金的技术方法。

设计出适用的热正挤压模具，根据模具准备好ZK60镁合金毛坯。

选择不同的挤压温度和不同的挤压比对ZK60镁
合金进行热挤压，研究热挤压出的ZK60镁合金在挤压温度和挤压比两个条件的同时作用下显微组织和力学性能上的变化，并分析显微组织和力学性能之间的关系。

1.2课题研究的国内外现状与发展
1.2.1镁及镁合金研究现状
1808年，HumphreyDaveyl43首次从汞合金中分馏出汞和镁；接着在1852年Bunsen第一次使用电解法从氯化镁中电解得到镁。

至此，镁及镁合金作为一种新型材料蹬上历史舞台。

在两次世界大战期间镁及镁合金得到了突飞猛进的发展。

Galiyev A等人发现ZK60镁合金在环境温度下承受大塑性应变（intense plastic straining，简称IPS）时会发生LTDRX（低温动态再结晶），造成晶粒的显著细化和材料硬度的强烈升高。

2001年，日本东北大学井上明久等采用快速凝固法制成的具有100~200nm晶粒尺寸的高强镁合金Mg-2at% Y-1at% Zn，其强度为超级铝合金的3倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。

德国汉诺威大学的F.W.Bach等人研究了变形镁合金的轧制工艺，采用新工艺，提高了其成形性能。

Ei ji Yano等人研究了镁合金的半固态成形技术，利用预热的冷却斜槽近液相线铸造获得了半固态AZ90镁合金组织。

Ninomiya Rojiro T等人研究发现，Ca有明显细化晶粒作用，可稍微抑制熔体金属的氧化，可以改善抗蠕变性能。

J.C.F.Chan 等人通过实验研究了应变强化及工艺参数对变形镁合金锻造性能的影响。

日本的R.Matsumoto和K.Osakad a等人在镁合金温锻方面开展了相应的研究，并对镁合金温锻过程中的摩擦和润滑作了深入的研究。

日本的T.Mohri等人研究了热轧AZ91镁合金在300℃和1.5×10-3s-1条件下的超塑性和微观组织演变，结果发现晶粒度为39.5µm的热轧镁合金在应变量为0.6之后，晶粒尺寸减小为9.1µm，说明在超塑变形的初始阶段发生了明显的晶粒细化。

晶粒细化是由于动态连续再结晶造成
的。

由于晶粒细化，使得晶界滑移显著发生，并导致了604%的大延伸率。

沈阳航空工业学院的李秀华等人以工程上广泛应用的AZ91镁合金为研究材料，探讨了热挤压以及后续热处理所引起的AZ91镁合金的微观组织演化，确定了不同加工处理状态的AZ91镁合金在不同实验温度下的抗拉强度σb、屈服强度σ0.2和断裂延伸率δ。

洛阳工学院的陈拂晓等人对变形镁合金MB26进行了超塑性实验研究。

哈尔滨工业大学的丁水等对轧制态MB15镁合金进行了超塑性能研究,得出在最佳变形温度340℃，应变速率ε=5.56×10-4s-1时，获得应变速率敏感指数ｍ值为0.51，延伸率δ为415%，此时流动应力σ仅为11MPa，并分析了在最佳变形温度下应变速率对材料超塑性能及晶粒尺寸的影响。

重庆大学的麻彦龙等人较系统地研究了ZK60镁合金的铸态组织。

光学显微分析表明，铸态组织中存在很明显的枝晶；有相当数量的共晶组织沿晶界或枝晶边界断裂分布[1,2,3]。

1.2.2 ZK60镁合金的研究现状
由于ZK60合金是20世纪40年代末首次开发成功的,60年代后期进入工程应用领域,到现在为止已经研究几十年。

目前,世界各国对ZK60的研究主要集中在塑性，超塑性和复合材料的研究方面。

另外,由于目前尚无Mg-Zn-Zr三元合金相图,所以人们对其组织的研究只能依靠Mg-Zn、Mg-Zr和Zn-Zr二元合金相图进行分析。

1937年，德国人Sauerwaldt44-45偶尔发现Zr能强烈的细化镁合金晶粒，但是由于Zr的熔点(1852℃)较Mg的熔点(649℃)高出许多，再加上Zr极易与镁合金熔炼过程中出现的A1、Mn、Si等形成稳定的化合物，而起不到晶粒细化的作用，因此很难将Mg、Zr合金化。

直到1948年，人们才找到了合适的含Zr的中间合金，成功地将Zr加入到镁合金。

又由于Zn对镁合金有极强的强化作用，因此便诞生了
新型的Mg-Zn-Zr合金，ZK60合金就是该合金系中性能最优越的一种。

ZK60合金在20世纪40年代末首次开发成功后，60年代后期进入工程应用领域，到现在为止已经研究几十年。

然而ZK60合金并不是无懈可击的材料，它还存在如热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点。

为改善ZK60合金的力学性能，拓宽它的应用领域，许多材料工作者针对ZK60进行了晶粒细化、超塑性、复合材料的研究。

D.Y.Maeng,T.S.Kim等人对快速凝固(R/S)和挤压态的Mg-3Zn合金和Mg-6Zn 合金进行了研究。

光学显微观察表明。

Mg-6Zn合金较Mg-3Z合金晶界区域有所增加；结合扫描电镜和光学显微分析,认为重金属Zn主要分布在Mg晶粒的边界上,富Zn相的形成主要是因为Zn在固液两相中溶解度不同,从而离异至晶界上。

研究还对Mg-6Zn合金的峰时效(473K×15h)和过时效(473K×100h)的显微组织进行了对比，在峰时效的电镜样品中发现了针状的MgZn2相和球状的MgZn相,而在过时效的样品中则发现了稳定的矩形状的MgZn相与针状的MgZn相相间分布。

可见MgZn2相是早期形成的稳定相,在随后的时效过程中没有发生明显的变化；MgZn.相是亚稳相,随后转变成稳定的MgZn相，形状从颗粒状变为矩形状。

Mg-Zn二元合金的研究为ZK60合金的研究提供了有利的依据,但却不能简单地将Mg-Zn二元合金的情况应用于ZK60合金的研究。

再者，Mg-Zn二元合金的研究和ZK60合金的研究本身也存在很多争议。

这主要表现在：1）铸态情况下,晶界富Zn相是MgZn2相，Mg7Zn3(Mg51Zn20)还是MgZn相? 2）时效硬化效果是如何引起的,是细而长的杆状MgZn相还是由GP区发展而来的MgZn相引起的Zr的加入,除了细化晶粒之外对合金相有何影响也不清楚。

基于以上原因弄清楚铸态ZK60合金晶界富Zn相的类型以及Zr对Mg-Zn二元合金系的影响将对ZK60合金的合金相控制以及成分优化有非常重要的意义。

对此目前仍然没有定论。

由于镁的晶界滑移系数D gb是铝的2倍,因此镁比铝有更强的低温超塑性能。

许多材料工作者研究了ZK60合金的低温超塑性能,旨在改善ZK60的塑性,加速其在变形产品上的应用。

ZK60合金具有较强的冷热变形能力,可以进行热处理强化,因而是理想的镁基复合材料的基体,从而受到广大材料工作者的关注。

西安交通大学的张文兴用粉末冶金的方法制备了SiC增强的ZK60基复合材料,并对其组织和性能进行了全面的研究，可以得出SiC w和SiC p能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量,但对塑性极为不利。

下表为制备的复合材料同基体ZK60的拉伸性能比较。

从表中可以看出SiCW和SiCp能显著提高ZK60基复合材料的室温抗拉强度、屈服强度和弹性模量，但对塑性极为不利[4,5]。

表1.1 SiC/ZK60复合材料同基本ZK60拉伸性能比较
1.2.3 镁合金热挤压变形的研究现状
挤压是指放在挤压筒终的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。

挤压根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，可分为正挤压和反挤压。

Murai等人对AZ31镁合金挤压棒材研究表明，铸态直接挤压的镁合金
挤压棒表层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的
方向性。

挤压前，其晶粒尺寸约70µm；挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心
部部分晶粒仍然保持其初始形态，部分则沿挤压方向被拉长。

当挤压比达到10时，
挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一步得
到细化。

当挤压比达到100时，心部晶粒也得到了细化。

澳大利亚M. R. Barnett
等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。

大大加快了变形镁合金的应用，
拓宽了镁合金的应用范围。

北京科技大学的李鹏喜等人研究了变形工艺对AZ31镁合金薄板组织及力学性
能的影响。

将不同厚度的AZ31B镁合金挤压坯经多道次和单道次两种轧制工艺制备
成厚度约为1mm的薄板、XRD结果表明，轧板出现了明显(0001)面织构。

挤压和轧
制过程中的大变形促使了再结晶的发生，进而形成了细小且均匀的显微组织。

江西理工大学的蔡薇等人研究了镁合金型材的热挤压工艺与模具，实验结果表
（1）经400℃×20h的均匀化退火后的AZ31B镁合金铸锭，在挤压温度380～400℃、明：
挤压速度 1.0～2.5ｍ/min的工艺条件下，可以挤压出复杂断面的型材，证明其具
有良好的热挤压性能。

（2）模具结构形式影响挤压力的大小。

华南理工大学的刘英等人采用模角为120°的模具，研究了等通道转角挤压后
AZ31镁合金的微观结构与性能，并对挤压过程中各道次试样的微观结构及性能进
行了分析测试。

结果表明，随着挤压道次的增加，晶粒得到不断细化，力学性能也
发生显著的变化；当挤压12道次时，总的等效应变量约为8，晶粒得到显著细化，
晶粒尺寸为1～5µm，但合金的抗拉强度变化不大，屈服强度则有所下降，约为
100MPa，延伸率则提高了45％以上。

郝艳君等针对挤压态ZK60镁合金的高温力学性能及其超塑性行为进行了研究,
结果表明,挤压态ZK60镁合金的高温力学性能与试验温度、应变速率密切相关;通常,屈服强度和抗拉强度随试验温度的降低和应变速率的增加而提高,而伸长率则随试验温度的升高和应变速率的降低而增大[6,7,8]。

1.3 镁合金相关原理介绍
1.3.1 镁及镁合金概述
从19世纪末，随着工业文明的快速发展，地球矿产资源，尤其是金属矿产资源日益减少，一些金属甚至面临枯竭。

资源和环境日益成为全世界普遍关心的热点，是21世纪可持续发展的首要问题。

世界镁矿资源极其丰富，其在地壳中的储量丰富，约占地壳总蕴藏量的2．77％。

在大多数国家中都能发现镁矿石，已知含镁矿多达60余种，其中有工业价值的有菱镁矿(MgC03)、白云石(MgC03·CaC03)和光卤石(MgCl2·KCl·6H20)等。

此外，占地球表面积70％的海洋也是一个天然的镁资源宝库，可谓取之不尽，用之不竭。

镁作为一种轻质工程材料具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，尤其可以满足21世纪航天、航空、现代交通工具对减重、节能和环保的要求，并可替代某些工程塑料以满足3C产品的重量轻、薄壁小型化和高集成的要求，已日益成为现代交通工具尤其是汽车以及3C产业的最佳选材之一，被称为“21世纪的绿色工程材料”。

镁合金弹性模量低。

当受外力作用时，依据弹性变形功与弹性模量成反比原理，零件发生较大的弹性变形，吸收较大的形变功。

镁及其合金的熔点低(如纯Mg为649℃)，由于熔点低，可以容易地获得较高的过热温度，所以大多数镁合金的流动性比较好，充型能力优于常用的其他金属。

镁合金的比热值低。

与铝合金相比，镁合金的单位热含量低，故可在模具内能
更快速地凝固，从而有效地缩短了压铸件在型内的停留时间。

镁合金具有高的散热性。

其导热能力是ABS树脂的350-400倍，特别适合于制作元件密集的电子产品。

镁合金的发展潜力和应用优势，引起了许多国家政府、企业和研究机构对镁合金及其成形技术的高度重视，投入了大量的人力、财力进行开发研究，随着对镁及其合金的制备、加工技术及相关基础问题的研究，上述问题可望得到很好的解决[9,10]。

1.3.2 镁合金的主要特点
镁的元素符号是Mg，具有金属光泽，呈亮白色，原子序数12，相对原子质量为24.3050，原子体积为14.0cm3/mol，原子半径为3.20埃。

镁是自然界中分布最广的元素之一，居第八位，约占地壳质量的 2.35％。

镁的化学活性很高，在自然界只能以化合物形式存在，主要存在于白云石、菱镁矿、光卤石矿、橄榄石矿、蛇纹石、盐矿、地下卤水以及盐湖和海水中，在海水中的含量约为0.13％。

镁为密排六方晶格，室温变形时只有单一的滑移系{0001}<1120>，因而镁的塑性比铝的低，各向异性也比铝显著。

镁具有良好的物理性能，有比铝高30倍的减振性能；比塑料高200倍的导热性能，其热膨胀性能只有塑料的1/2。

镁合金可以在573～873K 温度范围内通过挤压、轧制和锻造成形。

此外，镁合金还可以通过铸造成形，且镁合金的压铸工艺性能比大多数铝合金好。

镁合金具有以下特点：
（1）镁合金的比重小，是目前最轻的结构材料，密度在1.75～1.85g/cm3之间，约为铝的64%，钢的23%。

镁合金比强度明显高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强材料；比刚度则与铝合金和钢相当但远高于纤维增强材料，具有很好的
优越性。

比弹性模量与高强铝合金、合金钢的大致相同。

（2）阻尼性能好，适合于制备抗震零部件。

镁合金具有良好的阻尼系数，有利于减震和降低噪音。

（3）镁合金具有良好的铸
造性和尺寸稳定性。

镁与铁的
反应性很低，压铸时压铸模的
熔损少，使得铸模的使用寿命
提高；镁在单位容量下的热焓
低，其压铸速度可比铝高，且
镁铸件的铸造和加工精度高，
可以进行高速机械加工，生产图1.1 多种合金的密度和比强度
效率高，成本低，适用于汽车工业的大批量生产。

（4）切削加工性能优良，其切削速度大大高于其他金属。

不需要磨削、抛光处理，不使用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。

另外镁合金在受到冲击或者摩擦时，表面不会产生火花。

（5）镁合金具有较好的热导性、热稳定性、抗电磁干扰性、屏蔽性能。

（6）镁合金可回收利用，回收成本低，回收利用率高。

（7）由于镁在液态下容易剧烈氧化、燃烧，所以镁合金必须在溶剂覆盖下或者在保护气氛中熔炼。

镁合金铸件的固溶处理也要在SO2、CO2或SF6气体保护下进行，或者在真空下进行。

镁合金的固溶处理和时效处理时间均较长。

1.3.3镁合金的加工性及经济性
镁合金有相当好的切削加工性能，用价廉的切削工具就可以有效地控制公差,
保证精度，切削时对刀具的损耗很低，切削功率很小。

镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为1:1.8:3.5:6.3。

部分镁合金在热加工范围内的塑性很好，如 MB 系列的大多数合金可挤压成各种规格的棒材、型材和带材；合金的锻造性能良好，可制成形状复杂的大型锻件和要求承受高载荷和高屈服强度的零件。

和其它材料比，镁合金的制造成本很低，尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些，但它单位体积的成品价格几乎是一样的。

因为镁合金密度小，对相同体积的零件，镁合金用量只占铝合金的三分之二，因此可用单位体积的价格而不是单位质量价格来衡量镁合金零件的材料成本更为合适。

同一铸件，用镁合金铸造，原材料费用将比用铝合金铸造降低 10%～20%，而质量减少 25%～30%，这一差异可基本抵消镁合金较高的铸造工艺费用，使两者的铸件成本基本相当。

有数据显示，如果每辆汽车上使用70公斤镁合金，二氧化碳的年排放量就能减少30%以上。

这是因为镁合金比相同体积的铝合金轻36%、钢轻77%，而汽车自重每减轻100公斤，百公里油耗就可减少0.7升左右，二氧化碳排放量相应减少。

因此，在现代汽车不断高涨的减重、节能的要求下，镁合金成为汽车轻量化无可争辩的首选材料。

而且与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性，这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。

1.3.4 镁合金的应用领域
镁合金作为目前密度最小的金属结构材料之一，应用于航空航天工业、军工领域、交通领域（包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等）、3C领域等。

镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。

法国塞德航空公司超级弗雷隆直升机的镁合金齿轮箱，铸件由Mg-Zn-RE-Zr合金ZE41制成，加银的镁合金可以使时效强化的Mg-RE-Zr合金较低的拉伸性能得到显著提高，例如飞机着落轮，齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件。

我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件。

与铸造镁合金相比，变形镁合金比铸造镁合金具有高强度和高延伸率等优点，同时在满足相同工作条件下比变形铝合金更轻。

因此航空器特别是导弹、卫星以及航天飞机大量应用各种变形镁合金。

在国外，B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板；喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板，使结构零件的数量从47758个减少到16050个；“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金。

汽车工业发展程度是一个国家发达程度的重要标志之一，镁合金作为最轻的结构材料，能满足日益严格的节能的尾气排放的要求，可生产出重量轻、耗油少、环保型的新型汽车。

八十年代初，由于采用新工艺，严格限制了铁、铜、镍等杂质元素的含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。

从九十年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。

在过去十年里，其年增长速度超过15%。

在欧洲，已经有300种不同的镁制部件用于组装汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5kg镁。

乐观的估计认为，出于减重的需求，每辆汽车对镁的需求将提高至70～120kg。

在国内，镁合金的优势已经被许多企业所认识，已成功开发出多种种镁合金摩托车零件和汽
车零件，用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等，例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架。

随着镁合金制备技术的发展，材料的性能如比强度、比刚度、耐热强度和蠕变等性能不断提高，其应用范围也不断扩大，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金产品的应用。

3C（计算机类、通讯类、消费类电子产品）产品飞速发展，为了适应电子器件轻、薄、小型化的发展方向，要求作为电子器件壳体的材料具有密度小、强度高和刚度高、抗冲击和减震性好、电磁屏蔽能力强，散热性能好、容易加工、表面美观、耐用、成本低、易于回收和符合环保等特点。

镁合金在电子及家用电子产品上具有广阔的应用前景。

现代工业的发展，使得镁合金的应用越来越广泛，电力行业、家庭消耗品、工业车床设备、医疗器械、运动器械等领域，镁合金都占有一席之地。

在工业应用中，镁牺牲阳极主要用于用于城建中的供水、排水、煤气、天然气、供暖、热电厂输水、输气等各类管道；镁合金还应用于制造自行车部件、手提箱、头盔安全帽、割草机机盒、折叠椅、园林工具零部件、电动刀刀柄、书架托架等。

1.3.5 镁合金分类及表示方法
一般说来，镁合金大体上按以下三种方式进行分类：合金化学成分、成形工艺和合金是否含锆。

根据合金化学成分的不同，由于大多数的镁合金都含有不只一种合金元素，而在实际的工业生产中，为了分析问题的方便，也为了简化和突出合金中的最主要元素，一般习惯上总是与其中一个主要合金元素划分成二元合金系，与两个主要合金元素形成三元合金系，以此类推。

二元合金系主要有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn、Mg-RE、
Mg-Zr、Mg-Th、Mg-Ag和Mg-Li合金等，三元合金系主要有Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Mn-Ce、Mg-RE-Zr、Mg-Zn-Zr合金等。

根据成形工艺的不同，镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上大不相同。

前者一般通过铸造工艺获得产品，主要应用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等。

铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要工艺特点是生产效率高、铸件质量好、组织优良、可生产薄壁及形状复杂的构件等。

变形镁合金由于有良好的塑性变形能力和较高的强度，近年来得到了长足的发展，也形成了一些系列，比如变形镁合金可以根据是否能进行热处理强化，分成可热处理强化变形镁合金（如MB7、MB15）和不可热处理强化变形镁合金（如MB1、MB2、MB3、MB5和MB8合金）
由于锆是镁合金中的主要合金元素，所以可以根据镁合金中是否含有锆而把镁合金分成含锆镁合金和无锆镁合金。

近年来，结合新的工艺方法，一些新型镁合金体系得到了开发和应用，出现了一些新的合金系：快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶镁合金，如著名的三元合金Mg-M-Ln，其中M为Cu或Ni，Ln为La系元素，如Y；金属基复合材料(MMC)，如以SiC、玻璃、Al2O3和石墨等作为纤维强化添加剂的AZ91，AZ31及Mg-Li系合金等。

1.3.6 镁合金应用的主要问题
镁合金之所以没有像铝合金那样在各行各业都有广泛的应用，主要有以下一些原因：
（1）镁合金的生产技术还不是很成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展。

目前镁合金的加工方法是以铸造为主，但是铸造出来的产品组织粗大，在。